(57)【要約】【課題】圧力を利用しその活性層のエネルギーバンドギャップを調整することにより発光波長を可変させることが可能な波長変換型の発光ダイオードを提供する。【解決手段】波長変換型の発光装置２０は、第１及び第２導電型クラッド層３ａ、３ｂとその間に特定波長の光を放出する活性層２を有し、対向する第１及び第２面を有する半導体発光ダイオード１０と、前記半導体発光ダイオードの第１面及び第２面の少なくとも一面に配置され印加電圧によって厚さが増減される少なくとも一つの圧電体層１５ａ、１５ｂと、弾性が殆どない強体（剛性）物質を用いてなり、前記圧電体層の厚さの増加が前記半導体発光ダイオードに圧力で印加されるように前記圧電体層及び前記半導体発光ダイオードを囲む強性フレーム１７と、前記第１及び第２導電型クラッド層と前記圧電体層に各々接続され前記強性フレーム上に形成された複数個の端子部を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２導電型クラッド層とその間に特定波長の光を放出する活性層を有し、対向する第１面及び第２面を有する半導体発光ダイオードと、
前記半導体発光ダイオードの前記第１面及び前記第２面の少なくとも一面に配置され印加電圧によって厚さが増減される少なくとも１つの圧電体層と、
前記圧電体層の厚さ増加が前記半導体発光ダイオードに圧力で印加されるように前記圧電体層及び前記半導体発光ダイオードを囲む強性フレームと、
前記第１及び第２導電型クラッド層と前記圧電体層に各々接続され前記強性フレーム上に形成された複数個の端子部と
を備えた波長変換型の発光装置。
【請求項２】
前記圧電体層は前記半導体発光ダイオードの前記第１面及び前記第２面に各々配置された第１及び第２圧電体層からなり、
前記複数個の端子部は前記第１及び前記第２圧電体層に連結されている端子部を備えたこと、
を特徴とする請求項１に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項３】
前記半導体発光ダイオードはＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなるグループから選択される少なくとも一種の半導体物質を用いてなること、
を特徴とする請求項１または２に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項４】
前記半導体発光ダイオードの前記活性層は前記圧電体層による圧力が印加されない状態から約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長光を放出すること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項５】
前記圧電体層により前記半導体発光ダイオードに印加される最大圧力は約１００Ｋｂａｒ〜約３００Ｋｂａｒ範囲であること、
を特徴とする請求項４に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項６】
前記半導体発光ダイオードは前記第１導電型クラッド層と、前記活性層及び前記第２導電型クラッド層が順次に形成された導電性基板をさらに備え、
前記半導体発光ダイオードの前記第１面と前記第２面は各々前記導電性基板の下面と前記第２導電型クラッド層の上面であること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項７】
前記複数個の端子部は、
前記圧電体層の一面とそれに接触した前記第１面及び前記第２面のいずれか一面の間に連結された共通端子と、
前記圧電体層の他面に連結された圧電体駆動端子と、
前記第１面及び前記第２面の他の一面に連結された発光ダイオード駆動端子と、
を備えたことを特徴とする請求項６に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項８】
前記圧電体層は前記半導体発光ダイオードの前記第１面及び前記第２面に各々配置された第１及び第２圧電体層を備え、
前記複数個の端子部は、
前記第１圧電体層の下面に連結された第１圧電体駆動端子と、
前記第２圧電体層の上面に連結された第２圧電体駆動端子と、
前記導電性基板と前記第１圧電体層との間に連結された第１共通端子と、
前記第２導電型クラッド層と前記第２圧電体層との間に連結された第２共通端子
であることを特徴とする請求項６に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項９】
前記強性フレームは前記発光ダイオードの活性層の側面が露出されるように少なくとも一面が開放された構造を有する
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の波長変換型の発光装置。
【請求項１０】
前記強性フレームは透明な物質を用いてなる
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の波長変換型の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換型の発光装置に関し、特に完成された一つの半導体発光ダイオードからエネルギーバンドギャップを調整することにより発光波長を変化させることが可能な波長変換型の発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体発光ダイオードは優秀な単色性ピーク波長を有し、光効率性が優秀で小型化が可能という長所を有するため、多様なディスプレイの光源として広く使用されている。
【０００３】
このようなディスプレイの分野では多様な色の光源が要求される。主に、半導体発光ダイオードはその構成物質（特に、活性層物質）のエネルギーバンドギャップにより固有の発光波長が決定される。従って、異なる波長の光を得るためには、半導体発光ダイオード構成物質を変更すべきである。例えば、ＧａＮ系半導体ではＡｌ及び／又はＩｎ成分を変形しエネルギーバンドギャップを増減させることが可能である。
【０００４】
これとは異なり、構成物質により決定された発光ダイオードの固有波長を追加的な蛍光体を利用し所望の波長の光に変換させる方法もある。このような蛍光体変換発光ダイオードはその光放出領域に特定の蛍光体ペーストを塗布し硬化させることにより製造される。このような固定された要素である蛍光体膜により発光ダイオードの発光波長が決定され、この方式は主に白色光を得るための方法として使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、一つの発光ダイオードは決められた特定波長の光を放出すること以外は不可能である。従って、多様な色を具現するためには、異なる色の発光ダイオードすなわち、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）を発光する複数の半導体発光ダイオードを組合せて使用することが必要であると認識されてきた。しかし、複数の異なる半導体発光ダイオードを組合する場合には複雑な駆動回路が要求されるだけではなく、色の混合による損失を甘受しなければならない。
【０００６】
従って、完成された一つの発光ダイオードから得られる発光波長を特定条件により変化させることが可能な技術をより好ましい方案として考慮することが可能であるが、先に説明したように、発光ダイオードの発光波長はその構成物質のバンドギャップ（及び蛍光体膜特性）により決定されるため、既に完成された一つの発光ダイオードからの特定波長の光を調整して異なる波長の光にする技術は現在までは提案されていない。
【０００７】
本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためのものであり、その目的は半導体発光ダイオードに適用される圧力を利用しその活性層のエネルギーバンドギャップを調整することにより発光波長を可変させることが可能な波長変換型の発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の技術的課題を解決するため、本発明は第１及び第２導電型クラッド層とその間に特定波長の光を放出する活性層を有し、対向する第１面及び第２面を有する半導体発光ダイオードと、前記半導体発光ダイオードの前記第１面及び前記第２面の少なくとも一面に配置され印加電圧によって厚さが増減される少なくとも１つの圧電体層と、例えば弾性が殆どない強体（剛体）物質からなるフレームであって、前記圧電体層の厚さの増加が前記半導体発光ダイオードに圧力で印加されるように前記圧電体層及び前記半導体発光ダイオードを囲む強性（剛性）フレームと、前記第１及び前記第２導電型クラッド層と前記圧電体層に各々接続され前記強性フレーム上に形成された複数個の端子部とを備えた波長変換型の発光装置を提供する。
【０００９】
充分な圧力を得るため、前記圧電体層は前記半導体発光ダイオードの前記第１面及び前記第２面に各々配置された第１及び第２圧電体層からなることが可能である。
【００１０】
具体的には、前記半導体発光ダイオードはＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮからなるグループから選択される少なくとも一種の半導体物質を用いてなることが可能である。
【００１１】
適用圧力の増加によってエネルギーバンドギャップは増加する傾向を有するため、フルカラーを具現するためには、前記半導体発光ダイオードは前記圧電体層による圧力が印加されない状態で約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光を放出する活性層を有することが好ましい。
【００１２】
また、前記圧電体層により前記半導体発光ダイオードに印加される最大圧力は約１００Ｋｂａｒ〜約３００Ｋｂａｒであることが好ましい。通常の半導体物質では、少なくとも１００Ｋｂａｒで充分なエネルギーバンドギャップの変化を示し、３００Ｋｂａｒ以上の場合には前記強性フレームの機械的な安定性が問題になり得るためである。このような最大圧力範囲内で圧力を調節して多様な波長光を具現することが可能である。
【００１３】
具体的な一実施形態において、前記半導体発光ダイオードは前記第１導電型クラッド層と、前記活性層及び前記第２導電型クラッド層が順次に形成された導電性基板をさらに備え、前記半導体発光ダイオードの前記第１面と前記第２面は各々前記導電性基板の下面と前記第２導電型クラッド層の上面であり得る。
【００１４】
本実施形態において、前記複数個の端子部は、前記圧電体層の一面とそれに接触した前記第１面及び前記第２面のいずれか一面の間に連結された共通端子と、前記圧電体層の他面に連結された圧電体駆動端子と、前記第１面と前記第２面の他の一面に連結された発光ダイオード駆動端子を備えるように構成することが可能である。
【００１５】
これと異なり、前記圧電体層が前記半導体発光ダイオードの前記第１面及び前記第２面に各々配置された第１及び第２圧電体層を備える場合、前記複数個の端子部は、前記第１面に位置した圧電体層（第１圧電層）の下面に連結された第１圧電体駆動端子と、前記第２面に位置した圧電体層（第２圧電層）の上面に連結された第２圧電体駆動端子と、前記第１面とそれに接触する前記圧電体層の間に連結された第１共通端子と、前記第２面とそれに接触する前記圧電体層の間に連結された第２共通端子であることが可能である。
【００１６】
好ましくは、前記強性フレームは、前記発光ダイオードの活性層の側面が露出されるように少なくとも一面が開放された構造であることが可能である。
【００１７】
また、前記強性フレームは構造的な安定性のため必然的に発光ダイオードの多くの面積を覆う場合、これによって発光効率が低下しないように、前記強性フレームは透明な物質を用いて構成することが可能である。
【００１８】
本発明は、単一の発光ダイオードに圧電体を利用し大きい圧力を適用することにより活性層の格子常数変換を誘導し、これを通じエネルギーバンドギャップを増加させることが可能である、という原理に基づく。本発明によると、完成された単一発光ダイオードの特定波長の光を圧電体の印加電圧によってその波長を変更させることが可能であり、フルカラー用のディスプレイに適用する場合、多様な色を具現するために使用されていた他の複数個の発光ダイオードと複雑な駆動回路の代わりに、簡単に印加電圧を調整するだけで多様な色を具現することが可能であり、より速いスイッチング速度を期待することが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、完成された単一発光ダイオードの特定波長の光を圧電体の印加電圧によりその波長を変更させることが可能であり、フルカラー用ディスプレイのディスプレイに適用する場合、多様な色を具現するために使用された他の複数個の発光ダイオードと複雑な駆動回路の代わりに、簡単な電圧印加のみを通じ多様な色を具現することが可能で、より速いスイッチング速度を期待することが可能であるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照し本発明をより詳細に説明する。
図１は本発明による波長変換型の発光装置を示す概略図である。本図面は本発明の発光装置の作動原理をより明瞭に説明するための概略的構成のみを示し、一部の構成要素は図示せず簡単に説明する。
【００２１】
図１を参照すると、本発明による波長変換型の発光装置２０は大きく半導体発光ダイオード１０、第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂと、強性フレーム１７とを備えている。
【００２２】
半導体発光ダイオード１０は第１及び第２導電型クラッド層３ａ、３ｂとその間に形成された活性層２を備える。発光ダイオード１０の各層はＩＩ-Ｖ族半導体またはＩＩＩ-ＩＶ族半導体と同じく通常の半導体物質を用いて構成することが可能である。ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＧａＩｎＮからなるグループから選択される少なくとも一種の半導体物質を用いるのが好ましい。
【００２３】
本実施形態において、第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂは半導体発光ダイオード１０の活性層２に高い圧力を適用し格子常数を変化させることによりエネルギーバンドギャップを増減させる手段として使用され、各々前記発光ダイオードの対向する両面に配置される。
【００２４】
好ましくは、共通端子を通じ電源連結構造を簡素に具現するため、第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂは図示された通り各々第１導電型クラッド層３ａの下面と第２導電型クラッド層３ｂの上面に配置される。第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂとしては、印加される電圧によって厚さ（または体積）が変化する物質として、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛のような圧電物質を使用することができる。
【００２５】
強性フレーム１７は前記第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂとその間に介在された発光ダイオード１０を一体で囲んだ構造を有し、弾性が殆どない強体（剛性）物質からなる。従って、第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂの厚さ変化が直接発光ダイオード１０に適用される圧力源として作用することが可能である。また、活性層２のエネルギーバンドギャップ変化のための圧力は数ないし数百Ｋｂａｒの水準であるため、このような高い圧力に機械的な安定性を維持することが可能な材料を選択することが好ましい。
【００２６】
強性フレーム１７は活性層２からの光が放出されるように適切な構造及び／または材質で形成する。すなわち、本実施形態のように、側面放出型発光素子を適用する場合、少なくとも一面（対向する両面であり得る）が開放され、活性層の側面を露出させる構造を有するように構成することが可能である。材質の側面からは、強性フレーム１７を透明な物質で構成することも可能である。強性フレーム１７は、構造的な安定性のために発光ダイオードのより多くの面積を覆うようになる場合、発光効率の低下を防止するために、透明な物質で構成されていることが好ましい。
【００２７】
図１に図示された発光装置の構造において、第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂは発光ダイオード１０とは別途で駆動されることが可能な電源Ｖ１、Ｖ２ａ、Ｖ２ｂを有する。特に発光ダイオード１０に連結（連結とは、電気的に連結されたことを含む）された電源Ｖ１はほぼ決まった駆動電圧を提供するが、第１及び第２圧電体層１５ａ、１５ｂに連結された電源Ｖ２ａ、Ｖ２ｂは、印加圧力を調整するために、その駆動電圧を高い水準で可変されるように構成される。
【００２８】
このように、本発明は駆動電圧による圧電体層の可変圧力を利用し活性層のバンドギャップを調整し、それにより発光ダイオードの特定波長の光を別の波長の光に変化させることが可能であるという特徴がある。
【００２９】
本実施形態においては、圧電体層は活性層に、より高い圧力が適用されるように、両面に各々第１及び第２圧電体層を配置した形態を例示したが、少なくとも一つの圧電体層を発光ダイオードの第１面及び第２面のいずれか一つに配置する方案を考慮することも可能である。
【００３０】
本発明で採用される圧力によるバンドギャップの調整原理を図２−１及び図２−２を参照し、より詳細に説明する。
【００３１】
図２−１及び図２−２は、本発明で採用される波長変換原理を説明するためのグラフである。図２−１は、特定組成を有するＡｌＧａＩｎＮ系半導体物質の圧力によるエネルギーバンドギャップの変化を示すグラフである。
【００３２】
図２−１を参照すると、ＩｎＮ、Ｉｎ0.83Ｇａ0.17Ｎ、Ｉｎ0.68Ｇａ0.32Ｎ、Ｉｎ0.75Ａｌ0.25Ｎ、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｎ物質のエネルギーバンドギャップを示す。大気圧条件では各々０．６ｅＶ、０．９５ｅＶ、１．２５ｅＶ、１．３５ｅＶ、１．７ｅＶのエネルギーバンドギャップを有するが、７０Ｋｂａｒ（または８０Ｋｂａｒ）の圧力を適用する場合、エネルギーバンドギャップが約０．２ｅＶ程度増加される。このような高い圧力は結晶構造に影響を及ぼし格子常数の変化が発生し、これによりエネルギーバンドギャップが変化するからである。
【００３３】
図２−２は他の半導体物質であるＺｎＳｅＴｅ系半導体物質の圧力によるエネルギーバンドギャップの変化を示すグラフである。
【００３４】
図２−２を参照すると、ＺｎＳｅ1-xＴｅxで組成比ｘを各々０、０．０９、０．６５、０．９６、１にした半導体物質に対する圧力変化によるエネルギーバンドギャップの変化を示すグラフである。その変化の幅は組成によって多少異なるようにするが、大体８０Ｋｂａｒの圧力を適用する場合にエネルギーバンドギャップが約０．５ｅＶ程度増加することを確認することが可能である。
【００３５】
このように、一般的に半導体物質のエネルギーバンドギャップは３〜６ｍｅＶ／Ｋｂａｒ程度の圧力依存性を有する。従って、約１００Ｋｂａｒを適用する場合には約１００〜３００ｎｍの波長変化を誘導することが可能であり、多様な色の可視光線を具現することが可能である。
【００３６】
このようなエネルギーバンドギャップの圧力依存性は場合によって圧力の増加によりエネルギーバンドギャップが減少することもあり得るが、一般的な半導体物質の場合には、圧力の増加によりエネルギーバンドギャップが増加する傾向を有する。従って、圧力増加により発光ダイオードの発光波長は短波長化される傾向を有する。従って、圧力が印加されない状態で発光ダイオードの波長光は約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの発光波長を有することがフルカラーを具現するのに好ましい。
【００３７】
図３−１は、本発明の波長変換型の発光装置の内部構造を詳細に説明するため、強性フレームを省略して半導体発光ダイオードと第１及び第２圧電体層を分解して示した斜視図である。
【００３８】
図３−１を参照すると、本発明に採用される半導体発光ダイオード３０は導電性基板３１上に順次に形成された第１導電型クラッド層３３ａ、活性層３２及び第２導電型クラッド層３３ａ、３３ｂを備え、導電性基板３１の下面と第２導電型クラッド層３３ｂの上面には第１及び第２電極３６ａ、３６ｂが各々形成された直方体構造を有する。発光ダイオード３０は活性層３２に高い圧力を伝達することができるように、このように構造的な安定性が高い単純な直方体構造を有することが好ましい。
【００３９】
第１及び第２圧電体層４５ａ、４５ｂは導電性基板３１の下面（特に、第２電極）と第２導電型クラッド層３３ｂの上面（特に、第２電極）に各々配置される。
【００４０】
図３−２に示すように、第１及び第２圧電体層４５ａ、４５ｂとその間に介在された発光ダイオード３０は弾性が殆どない強体物質からなる強性フレーム４７の内部空間に装着される。この際、４つの端子部４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂは図３−１に示すように各々適切な位置に挿入されるか、または位置した状態で装着され、図３−２に示すように強性フレーム４７の一面に各々延長され外部回路との接触が容易であるように構成することが可能である。
【００４１】
より具体的には、半導体発光ダイオード３０は第１圧電体層４５ａと導電性基板３１との間に連結された第１共通端子４８ａと、第２圧電体層４５ｂと第２導電型クラッド層３３ｂの間に連結された第２共通端子４８ｂに連結されている。
【００４２】
また、第１圧電体駆動端子４９ａと第２圧電体駆動端子４９ｂは、第１圧電体層４５ａの下面と第２圧電体層４５ｂの上面に連結される。このような端子パターン構造を通じ、第１及び第２圧電体層４５ａ、４５ｂと発光ダイオード３０を異なる駆動電圧で独立的に駆動させることが可能である。
【００４３】
このような構造から、４つの端子を通じ高電圧を第１及び第２圧電体層４５ａ、４５ｂに印加すると、第１及び第２圧電体層４５ａ、４５ｂの厚さが増加し、それによる圧力の全てが強性フレーム４７により発光ダイオード３０に高い圧力で伝達される。このような圧力は活性層３２に集中されそのバンドギャップを増加させるので、発光ダイオードは元の波長より低い波長の光を放出することが可能となる。例えば、活性層３２が６８０ｎｍの波長の光（近赤色）を有するＩｎＧａＮで構成された場合、１００Ｋｂａｒの圧力を適用することにより約５７０ｎｍの波長の光（黄色）を発光させることが可能である。
【００４４】
先に説明した通り、本発明の他の実施形態として少なくとも一つの圧電体層を発光ダイオードの両面のうちの一つに配置する方案を考慮することもできる。この場合には、圧電体層らの一面とそれに接触した発光ダイオードの一面との間に連結された共通端子と、圧電体層らの他面に連結された圧電体駆動端子と、前記発光ダイオード中他の一面に連結された発光ダイオード駆動端子を備えた形態に変更することが可能である。
【００４５】
上述した実施形態及び添付の図面は好ましい実施形態の例示に過ぎず、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明なことである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明は、完成された一つの半導体発光ダイオードからエネルギーバンドギャップを調整することにより発光波長を変化させることが可能な波長変換形の発光装置、例えばディスプレイの光源に有用であり、簡単な電圧印加のみを通じ多様な色を具現することが可能で、より早いスイッチング速度を期待することが可能である波長変換形の発光装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による波長変換型の発光装置を示す概略図である。
【図２−１】本発明で採用される波長変換原理を説明するためのグラフであり、特定組成を有するＡｌＧａＩｎＮ系半導体物質の圧力によるエネルギーバンドギャップの変化を示すグラフである。
【図２−２】本発明で採用される波長変換原理を説明するためのグラフであり、ＺｎＳｅＴｅ系半導体物質の圧力によるエネルギーバンドギャップの変化を示すグラフである。
【図３−１】本発明の一実施形態による波長変換型の発光装置の一部を分解して示した概略斜視図である。
【図３−２】本発明の一実施形態による波長変換型の発光装置の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
２  活性層
３ａ、３ｂ  クラッド層
１０  半導体発光ダイオード
１５ａ、１５ｂ  圧電体層
１７  強性（剛性）フレーム
２０  発光装置
３０  半導体発光ダイオード
３１  導電性基板
３２  活性層
３３ａ  第１導電型クラッド層
３３ｂ  第２導電型クラッド層
３６ａ  第１電極
３６ｂ  第２電極
４５ａ  第１圧電体層
４５ｂ  第２圧電体層
４7  強性フレーム
４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂ  端子部
４９ａ、４９ｂ  圧電体駆動端子
Ｖ１、Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ  電源
【図１】
2006245543.tif 000003
【図２−１】
2006245543.tif 000004
【図２−２】
2006245543.tif 000005
【図３−１】
2006245543.tif 000006
【図３−２】
2006245543.tif 000007